中科院物理所：石墨烯周期性折疊及其在應力傳感器件中的應用研究獲新突破

中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）納米物理與器件實驗室張廣宇研究組自2009年成立以來，一直把石墨烯納米結構的可控加工及其輸運性質的研究作為課題組的一個重要方向。石墨烯是近年來發現的一種兩維結構材料，表現出獨特的電學、力學、光學和其他新奇的物理特性。張廣宇研究組在前期的研究中，利用自制的遠程電感耦合等離子體系統，首次成功實現了石墨烯的可控各向異性刻蝕，得到了近原子級規則的Zigzag邊緣結構，并利用這種干法刻蝕技術結合電子束光刻技術首次實現了對石墨烯納米結構的精確加工和剪裁【Advanced Materials 22, 4014, (2010)】；首次在多種基底（半導體、金屬、絕緣體等表面）上實現了納米石墨烯薄膜的低溫（~550?C）直接生長，研究了薄膜的輸運及光學性能【Nano Research 4, 315, (2011)】。

    最近，張廣宇研究組又在石墨烯周期性折疊結構的加工及其在應力傳感器件方面的應用研究取得了突破性進展，相關結果發表在【ACS NANO (2011)】。

    由于石墨烯特殊的二維結構，不僅表現出奇特的電學特性，而且具有很好的柔韌性，在透明導電材料和柔性電子器件方面具有潛在的應用前景。通常，石墨烯在PET和PDMS等柔性襯底上的附著力弱，靠范德瓦爾斯力相互結合。因此，當襯底發生較大的形變時，石墨烯很容易在襯底上發生滑移甚至斷裂，這是因為石墨烯雖然具有很高的機械韌性，但在石墨烯面內是剛性的。為了解決石墨烯和襯底在較大應力加載時結合不牢固的問題，他們提出了一種新的石墨烯柔性器件的加工方法，即制作三維周期性折疊石墨烯結構，使石墨烯可以承受襯底材料較大的形變而不發生滑移或結構破壞。

    目前，對于在柔性襯底上加工周期性折疊石墨烯結構的研究工作還沒有文獻報道。他們采用了一種非線性折疊技術來加工石墨烯周期性結構，這種技術最早是Whitesides et al.在加工周期性硅薄膜褶皺結構時發展出來的，并在其它不同的材料上得到了推廣。他們采用這種技術，首先把石墨烯轉移到預先施加拉應力的PDMS柔性襯底上，然后通過釋放PDMS上的應力，使石墨烯在PDMS恢復自然狀態的過程中形成具有納米周期的波紋狀折疊結構。研究結果表明，得到的折疊石墨烯結構的周期和折疊幅度均受在PDMS上預施加應力大小的影響，也和石墨烯條帶的寬度和層數有關。隨著預先施加在PDMS上的拉應力的增加，得到的折疊石墨烯的周期和折疊幅度均會減小。另外，在窄的石墨烯條帶上更容易得到規則周期性折疊結構。采用同樣的加工方法，他們也在自己前期合成的納米石墨烯薄膜上得到了周期性的折疊結構。

    結合微加工工藝，他們對PDMS柔性襯底上制作的機械剝離的石墨烯條帶和合成的納米石墨烯薄膜周期性折疊結構均引出電極，做成應力傳感器，測試周期性折疊石墨烯的電阻隨襯底的應力變化。結果表明，這種周期性的波紋折疊狀石墨烯結構的柔韌性非常好，在PDMS襯底的拉伸形變大于> 30%時，石墨烯仍然表現出非常好的可逆形變。石墨烯的電阻隨襯底的形變變化曲線表明，石墨烯的電阻和襯底的加載應力呈線性關系。可見，這種周期折疊石墨烯結構能夠承受高強度的壓應力和拉應力，是一種很好的應力傳感器材料，可用于大量程的應力傳感器。這種制作周期性折疊石墨烯結構的加工方法簡單、工藝可控，為石墨烯柔性電子學器件和應力傳感器的實際應用提供了一種確實可行的制作方法。

    該工作得到中科院“百人計劃”、國家自然科學基金和“973”項目的支持。